ОБЗОР МОДЕЛЕЙ КОММУТАЦИОННЫХ ПОДСИСТЕМ ЦИФРОВЫХ ФОТОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Аннотация
Рассматриваются варианты организации подсистемы коммутации цифровых фотонных
вычислительных устройств, основной задачей которой является обеспечение возможности орга-
низации эффективных вычислений при решении задач различных проблемных областей. По мнению
авторов, цифровые фотонные вычислители должны обрабатывать информацию в структурной
парадигме вычислений. Данная парадигма принципиально отличается от классической фон-
Неймановской парадигмы, поскольку в ней передача данных между функциональными элементами
не расторжима с обработкой. Поэтому проблематика построения подсистемы коммутации в
разрабатываемых цифровых фотонных вычислительных устройствах – одна из ключевых. Данная
подсистема должна обрабатывать информационные зависимости между выполняемыми опера-
циями не только во времени, но и в пространстве. Только в этом случае обработка данных в фо-
тонных вычислительных системах будет выполняться с производительностью, превосходящей на
два и более десятичных порядка производительность самых современных электронных вычисли-
тельных систем. Рассматриваются вопросы обеспечения потокового обмена данными между
функциональными устройствами в цифровом фотонном вычислителе. Авторы разработали и
проанализировали в базисе фотонной логики модели коммутационных устройств и способы орга-
низации коммутационной подсистемы при выполнении последовательной обработки данных.
В ходе исследований было установлено, что структурная организация вычислений в цифровых
фотонных вычислителях возможна при обеспечении обмена данными посредством пространст-
венной коммутации входных и выходных каналов функциональных устройств. При реализации
цифровых фотонных вычислителей как универсальных устройств, ориентированных на широкий
класс задач, наиболее удобными для организации вычислительных структур будут иерархический
и иерархическо-кольцевой варианты подсистемы коммутации. Однако данные варианты харак-
теризуются высокими накладными расходами на построение коммутаторов. Поэтому в проблем-
но-ориентированных фотонных вычислителях, предназначенных для решения сильносвязанных
задач с высокой удельной производительностью, более предпочтительно применение ортогональ-
ной или тороидальной подсистемы коммутации. В этом случае должна обеспечиваться непосред-
ственная пространственная коммутация между функциональными устройствами одной группы,а также между группами. Данные варианты характеризуются более высокими требованиями к
качеству формирования физических каналов между коммутаторами и функциональными устрой-
ствами, а также между самими коммутаторами.
Литература
Linking Information and Thermodynamics. Available at: https://arxiv.org/pdf/1503.06537.pdf
(accessed 10 October 2024).
2. Kalyaev A.V., Levin I.I. Modul'no-narashchivaemye mnogoprotsessornye sistemy so strukturnoprotsedurnoy
organizatsiey vychisleniy [Modular-scalable multiprocessor systems with structuralprocedural
organization of computations]. Moscow: Yanus-K, 2003, 380 p.
3. Stepanenko S.A. Fotonnyy komp'yuter: struktura i algoritmy, otsenki parametrov [Photonic computer:
structure and algorithms, parameter estimates], Fotonika [Photonics], 2017, No. 7 / 67.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.67.7.72.83.
4. Stepanenko S.A. Fotonnaya vychislitel'naya mashina. Printsipy realizatsii. Otsenki parametrov [Photonic
computing machine. Implementation principles. Parameter estimates], Doklady Akademii nauk [Reports of
the Academy of Sciences], 2017, Vol. 476, № 4. – S. 389-394. – DOI: 10.1134/S1064562417050234.
5. Chip war: China claims breakthrough in silicon photonics that could clear technical hurdle. Available
at: https://www.scmp.com/tech/tech-war/article/3281156/chip-war-china-claims-breakthrough-siliconphotonics-
could-clear-technical-hurdle (accessed 10 October 2024).
6. Sorokin D.A., Levin I.I., Kasarkin A.V. Perspektivnaya arkhitektura tsifrovoy fotonnoy vychislitel'noy
mashiny [Promising architecture of a digital photonic computing machine], Izvestiya YuFU.
Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2022, No. 4 (2022), pp. 200-212. DOI:
10.18522/2311-3103 2022.
7. Sorokin D.A., Kasarkin A.V., Podoprigora A.V. Elements of a Digital Photonic Computer, Supercomputing
Frontiers and Innovations, 2023, Vol. 10, No. 2, pp. 62-76. DOI: https://doi.org/10.14529/jsfi230205.
8. Deykstra E. Distsiplina programmirovaniya [Programming discipline]. Moscow: Mir, 1978, 278 p.
9. Dordopulo A.I., Sorokin D.A. Metodika sokrashcheniya apparatnykh zatrat v slozhnykh sistemakh pri
reshenii zadach s sushchestvenno-peremennoy intensivnost'yu potokov dannykh [Methodology for reducing
hardware costs in complex systems when solving problems with significantly variable data
flow intensity], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2012,
No. 4 (129), pp. 194-199.
10. Dordopulo A.I. Primenenie metodov reduktsii proizvoditel'nosti dlya sokrashcheniya chisla
analiziruemykh variantov parallel'noy programmy [Application of performance reduction methods to
reduce the number of analyzed variants of a parallel program], Vestnik komp'yuternykh i
informatsionnykh tekhnologiy [Bulletin of Computer and Information Technologies], 2019, No. 9
(183), pp. 43-49. DOI: 10.14489/vkit.2019.09.
11. Kalyaev I.А., Levin I.I., Semernikov E.A., Shmoilov V.I. Reconfigurable Multipipeline Computing
Structures. Published by Nova Science Publishers, Inc. (New York, USA), 2012, 345 p. ISBN 978-1-
61942-854-6.
12. Evstigneev V.G. Nedvoichnye komp'yuternye arifmetiki [Non-binary computer arithmetic],
Elektronika i informatika – 2005: Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Electronics and Information Science
– 2005: International Scientific and Technical Conference]. Moscow: Angsrem, 2006, 774 p.
13. B Devika Rani, Dr S Govindarajulu. Implementation of modified vedic multiplier using on quaternary
signed digit number system, Journal of Engineering Sciences, 2022, Vol. 13, Issue 12. ISSN 0377-9254.
14. Levin I.I., Pelipets A.V., Sorokin D.A. Reshenie zadachi LU–dekompozitsii na rekonfiguriruemykh
vychislitel'nykh sistemakh: otsenka i perspektivy [Solution of the LU-decomposition problem on reconfigurable
computing systems: assessment and prospects], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2015, No. 6 (168), pp. 62-70.
15. Nikolenko S., Kadurin A., Arkhangel'skaya E. Glubokoe obuchenie [Deep learning]. Saint Petersburg:
Piter, 2018, 480 p. (Seriya «Biblioteka programmista» [Series "Programmer's Library"]). ISBN 978-5-
496-02536-2.
16. Deryugin A.A. Kommutatory vychislitel'nykh sistem [Switches of computing systems], Vychislitel'nye
seti. Teoriya i praktika [Computing networks. Theory and practice], 2006, No. 1 (8). Available at:
https://network-journal.mpei.ac.ru/cgi-bin/main.pl?l=ru&n=8&pa=3&ar=1 (accessed 10 October 2024).
17. Shalev-Shvarts Sh., Ben-David Sh. Idei mashinnogo obucheniya: ot teorii k algoritmam [Machine
learning ideas: from theory to algorithms]: trans. from engl. by. A.A. Slinkina. Moscow: DMK Press,
2019, 436 p. ISBN 978-5-97060-673-5.
18. Khoroshevskiy B.G. Arkhitektura vychislitel'nykh sistem: ucheb. posobie [Architecture of computing
systems: a tutorial]. 2nd ed. Moscow: Izd-vo MGTU im. H.E. Baumana, 2008, 520 p. (Informatika v
tekhnicheskom universitete [Informatics at a technical university]). ISBN 978-5-7038-3175-5.
19. Korobeynikov A.G., Gatchin Yu.A., Dukel'skiy K.V., Ter-Nersesyants E.V. Tekhnologicheskie metody
snizheniya urovnya opticheskikh poter' v mikrostrukturirovannykh volokonnykh svetovodakh [Technological
methods for reducing the level of optical losses in microstructured fiber optics], Nauchnotekhnicheskiy
vestnik informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki [Scientific and technical bulletin
of information technologies, mechanics and optics], 2014, No. 1 (89).
20. Pavelyev V., Krivosheeva Y., Golovashkin D. Genetic Optimization of the Y-Shaped Photonic Crystal
NOT Logic Gate, Photonics, 2023, Vol. 10. DOI: 10.3390/photonics10101173.
